李曉燕 杜世強(qiáng)

直接接觸式空調(diào)蓄冷技術(shù)的研究進(jìn)展

李曉燕 杜世強(qiáng)

哈爾濱商業(yè)大學(xué)能源與建筑工程學(xué)院

直接接觸式蓄冷技術(shù)在暖通空調(diào)領(lǐng)域的應(yīng)用有著廣泛的研究前景，而直接接觸式蓄冷技術(shù)研究模型的發(fā)展是此項(xiàng)技術(shù)的難點(diǎn)之一。本文闡述分析了直接接觸式蓄冷技術(shù)理論模型的研究現(xiàn)狀，綜述了直接接觸式蓄冷技術(shù)應(yīng)用于不同領(lǐng)域的研究進(jìn)展。根據(jù)國(guó)內(nèi)外直接接觸式換熱技術(shù)的研究情況，本文提出了直接接觸式換熱技術(shù)急需解決的問(wèn)題，為今后進(jìn)一步研究提供了一定的參考依據(jù)。

蓄冷直接接觸式換熱技術(shù)傳熱系數(shù)

能源一直是人類賴以生存和社會(huì)發(fā)展的基礎(chǔ)，但近年來(lái)隨著經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，人們生活質(zhì)量的提高，能源的消耗量在不斷增加。近些年來(lái)，城市中新建了大量具有集中空調(diào)的賓館、辦公大樓和大規(guī)模商業(yè)中心。另外，隨著人民生活水平提高，居民安裝空調(diào)增多，使集中空調(diào)和居民空調(diào)的制冷負(fù)荷用電占整個(gè)城市用電的比例上升，電力供應(yīng)高峰不足而低谷過(guò)剩的矛盾相當(dāng)突出，電網(wǎng)負(fù)荷率下降。因此，在建筑物空調(diào)中應(yīng)用蓄冷技術(shù)是電力負(fù)荷需求側(cè)管理（Demand Side Management，DSM）、改善電力供需矛盾最有效的技術(shù)措施之一。而直接接觸式蓄冷空調(diào)技術(shù)的發(fā)展在節(jié)約能源方面也有著極其重要的地位，它在石油化工、能源和環(huán)保等領(lǐng)域具有很大的應(yīng)用潛力，是目前傳熱領(lǐng)域內(nèi)研究較為熱門的課題之一。

1直接接觸式蓄冷技術(shù)的理論研究

直接接觸式換熱是指兩種介質(zhì)直接接觸進(jìn)行換熱的過(guò)程，最早是由Hausbrand[1]在1900年出版的《蒸發(fā)、凝結(jié)和冷卻裝置》一書中提出的，書中介紹了幾種包括氣壓冷凝器在內(nèi)的直接接觸器。盡管直接接觸式換熱的概念提出得較早，但是其特性研究的發(fā)展速度一直遲于表面換熱器。將直接接觸式換熱技術(shù)應(yīng)用于常規(guī)空調(diào)工況的蓄冷系統(tǒng)，使載冷劑與蓄冷介質(zhì)直接接觸進(jìn)行換熱，從而使兩種工質(zhì)之間的傳熱溫差可以適當(dāng)降低，進(jìn)而使整個(gè)系統(tǒng)的效率得到提高，達(dá)到節(jié)能降耗的目的。把直接接觸式換熱應(yīng)用于空調(diào)蓄冷系統(tǒng)中，與其它蓄冷系統(tǒng)相比具有如下優(yōu)點(diǎn)：

1）由于水與蓄冷介質(zhì)直接接觸，避免了兩種工質(zhì)之間的傳熱過(guò)程由換熱盤管引起的熱阻，因此可提高傳熱效率。

2）蓄冷器中不存在換熱盤管，不但使蓄冷器的結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，體積減小，而且節(jié)省材料，降低成本。

3）由于不存在換熱盤管，因此可避免盤管結(jié)垢引起的熱阻阻礙換熱效果和盤管腐蝕，使設(shè)備維護(hù)工作減少。

由于直接接觸式換熱具有很高的換熱效率，自上世紀(jì)中期以來(lái)，該項(xiàng)技術(shù)的研究就得到研究者們的注意和重視。1965年Sideman[2]對(duì)直接接觸式蒸發(fā)換熱器展開(kāi)研究，他對(duì)逆向噴射直接接觸式換熱器中正戊烷液滴初始尺寸對(duì)其在水中蒸發(fā)時(shí)間的影響進(jìn)行了分析研究。研究得出氣泡平均換熱系數(shù)與液滴初始直徑以及氣泡瞬時(shí)表面積之間的關(guān)系式，并且換熱系數(shù)U隨著液滴初始直徑d的減小而增大：

Taitel[3]通過(guò)高速攝像技術(shù)對(duì)戊烷和丁烷液滴分別在純水和海水中的直接接觸蒸發(fā)進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)研究，并得到Nu的計(jì)算式：

式中：Pe為貝克來(lái)數(shù)。研究發(fā)現(xiàn)，氣泡的傳熱系數(shù)是與兩相氣泡的瞬時(shí)表面積有關(guān)的。

同樣的方法Simpson等人[4]在1974年對(duì)丁烷在海水中的蒸發(fā)過(guò)程進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)研究，得到了氣泡的生成速度公式和總換熱系數(shù)公式：

式中：Des為球形氣泡的直徑，m；Deso為氣泡內(nèi)部液滴的直徑，m；g為重力加速度，m/s2；ρc為液體連續(xù)相的密度，kg/m3；σ為兩相之間的界面張力，N/m。

G.K.Raina等[5]為了建立更準(zhǔn)確的單個(gè)氣泡的直接接觸換熱模型，又對(duì)換熱系數(shù)的計(jì)算式和Nu有所改進(jìn)：

式中：R為兩相氣泡的當(dāng)量球半徑，m；U為兩相氣泡的上升速度，m/s；a為連續(xù)相液體的熱擴(kuò)散率，m2/s。

研究人員對(duì)采用不同工質(zhì)對(duì)的直接接觸式泡滴蒸發(fā)過(guò)程的平均傳熱系數(shù)建立了數(shù)學(xué)模型，并得到表1所示的平均傳熱系數(shù)。

表1采用不同工質(zhì)對(duì)計(jì)算的平均傳熱系數(shù)

Smith[10]建立了兩種不互溶液體間直接接觸蒸發(fā)時(shí)容積換熱系數(shù)的數(shù)學(xué)模型，并且利用水和正戊烷進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)，實(shí)驗(yàn)利用兩塊帶噴孔的分布板，其中第二塊分布板上的噴孔密集，液滴在噴孔處大量聚集。實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，該數(shù)學(xué)模型僅適用于連續(xù)相為靜止的情況。

Shaopeng Guo等[11]基于焓法運(yùn)用焓空隙率構(gòu)造法建立模型。為了模擬多相流，VOF法被引入模型。由于相變材料和熱采原油不相溶，所以在模型中對(duì)兩相可以利用相同的守恒方程。經(jīng)過(guò)驗(yàn)證，提高熱采原油的流動(dòng)速率、蓄冷前布置流動(dòng)通道和增加壁面?zhèn)鳠峋煽s短蓄冷時(shí)間。仿真結(jié)果顯示先前的實(shí)驗(yàn)在同樣的運(yùn)行條件下，與熱采原油流速為9.2L/min時(shí)進(jìn)行的實(shí)驗(yàn)相比，其蓄冷時(shí)間能夠降低25%、26%和29%。

Kadoquchi和Katsuhiko[12]對(duì)PF5050與不相溶的熱水直接接觸換熱進(jìn)行了數(shù)值模擬研究。結(jié)果表明：相分界面之間更像大容器沸騰而不是滴狀沸騰，沸騰起點(diǎn)是在PF5050液體層內(nèi)且靠近相分界面處產(chǎn)生的。隨著雷諾數(shù)Re的增大，相分界面處產(chǎn)生的氣泡體積有減小趨勢(shì)，增大水的流速，界面處產(chǎn)生的氣泡與從液滴中分離出的氣泡大小接近。

1995年，Bontozoglou和Karabelas[13]對(duì)直接接觸填料塔式冷凝器的分析做出了改進(jìn)，通過(guò)分析一個(gè)微分控制單元內(nèi)的能量和質(zhì)量平衡，得出局部傳熱和傳質(zhì)系數(shù)，此傳熱和傳質(zhì)系數(shù)是用滲透理論來(lái)關(guān)聯(lián)的。

Deandres等[14]對(duì)裝有規(guī)整填料的直接接觸式換熱器的性能進(jìn)行了研究。此換熱器作為各級(jí)壓縮機(jī)的中間冷卻器。壓縮機(jī)從電廠抽取低溫氣體，被排出來(lái)的由低壓蒸氣和不凝性氣體組成的氣體與冷卻劑海水接觸。實(shí)驗(yàn)壓力約為1.6～16kPa，不凝性氣體的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.1～0.9，其結(jié)果顯著地改變了冷凝器的傳熱性能，說(shuō)明高不凝性氣體質(zhì)量分?jǐn)?shù)和過(guò)熱度對(duì)傳熱過(guò)程的影響。

Genic[15]對(duì)采用板式塔的直接接觸式換熱器進(jìn)行了研究，水和蒸汽在直徑為300mm的塔內(nèi)直接接觸換熱，得出了傳遞單元數(shù)與動(dòng)能因子的關(guān)系。

靳登超等[16]簡(jiǎn)述了有相變的直接接觸傳熱模擬研究，主要研究了單個(gè)分散相液滴在連續(xù)相中發(fā)生相變時(shí)的直接接觸傳熱和分散相液滴群在連續(xù)相中發(fā)生相變時(shí)的直接接觸傳熱。單個(gè)分散相在連續(xù)相中發(fā)生相變過(guò)程能夠形成幾種不同的形貌特征：球形液滴、球狀泡滴、大球氣泡和帽狀氣泡。對(duì)于影響液滴形狀的幾方面受力因素進(jìn)行了模擬，并得出體積傳熱系數(shù)的計(jì)算公式。

式中：hbv為體積傳熱系數(shù)，kW/(m3·K)；Q為時(shí)間t內(nèi)的換熱量，kJ；V為與分散相發(fā)生熱交換的全部連續(xù)相體積，m3；△θ為連續(xù)相與分散相的平均溫差，℃；t為時(shí)間，s。

研究結(jié)果顯示，分散相液滴在連續(xù)相中直接接觸傳熱過(guò)程瞬時(shí)傳熱系數(shù)是不斷變化的，一般與連續(xù)相及分散相熱物性、泡滴直徑及泡滴運(yùn)動(dòng)速度等有關(guān)。

齊濤，沈自求等人[17]對(duì)垂直管內(nèi)不互溶液滴群（正戊烷與熱流體水）直接接觸傳熱過(guò)程進(jìn)行了研究，并由單液滴的瞬時(shí)傳熱系數(shù)關(guān)聯(lián)式，推導(dǎo)了多液滴汽化過(guò)程中的平均傳熱系數(shù)的表達(dá)式，研究了體積傳熱量和體積傳熱系數(shù)的影響因素，且與實(shí)驗(yàn)符合得很好。

Subbaiyer等[18]直接接觸式蓄冷系統(tǒng)進(jìn)行了計(jì)算機(jī)模擬，此系統(tǒng)利用R114作為制冷劑。模擬結(jié)果顯示，直接接觸式蓄冷系統(tǒng)的單位制冷量的耗電情況比傳統(tǒng)殼管式制冰器減少30%，并且制取相同冷量所用時(shí)間縮短13%。

2直接接觸式換熱技術(shù)的研究現(xiàn)狀

直接接觸式換熱是指兩種相同或不同的介質(zhì)通過(guò)直接接觸進(jìn)行換熱的過(guò)程，但兩種介質(zhì)的密度或沸點(diǎn)必須不相同，彼此容易分離。此項(xiàng)技術(shù)可應(yīng)用于生產(chǎn)、生活的許多方面，比如海水淡化、地?zé)峄厥?、海洋能轉(zhuǎn)化、蓄能、分餾等，并且參與換熱的介質(zhì)可以是固體、液體或者氣體。

2.1直接接觸式換熱在冰蓄冷空調(diào)系統(tǒng)中的應(yīng)用

在冰蓄冷系統(tǒng)中，由于蓄冷階段在換熱器表面冰層的產(chǎn)生使換熱器的蓄冷性能降低，通過(guò)冰層的傳熱只能以擴(kuò)散和導(dǎo)熱進(jìn)行，這也使冰蓄冷系統(tǒng)的蓄冷性能減弱。為了解決這個(gè)問(wèn)題，文獻(xiàn)[19,20]提出了一種新的儲(chǔ)能系統(tǒng)，稱為冰漿式直接接觸式蓄冷系統(tǒng)。在此系統(tǒng)中，通過(guò)在兩種不互溶的液體間直接接觸傳熱制取冰晶，較以前的系統(tǒng)相比更加有效地利用了能源。這種冰漿系統(tǒng)由較好的冰晶和液態(tài)水組成，由于利用其融化潛熱，這種冰漿系統(tǒng)具有很大的熱容量。并且，該系統(tǒng)的冷卻能力是傳統(tǒng)冷水系統(tǒng)的4到6倍。在利用直接接觸換熱進(jìn)行制冰蓄冷過(guò)程中，主要換熱方式為帶固液相變的氣體-液體接觸換熱和液體-液體接觸換熱。圖1為直接接觸式冰蓄冷系統(tǒng)的原理圖。

圖1直接接觸式冰蓄冷系統(tǒng)原理圖

Kiatsiriroat[21～22]等對(duì)用R12或R22作制冷劑的直接接觸式蓄冷系統(tǒng)的換熱特性進(jìn)行了研究，他們將制冷劑以低于0℃的溫度注入蓄冷器中，通過(guò)與水直接接觸帶走熱量而蒸發(fā)。

1967年，Sideman和Gat[23]研究了戊烷-水直接接觸式系統(tǒng)的換熱特性。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，水的流率對(duì)系統(tǒng)換熱的影響較小。

Blair[24]等研究了直接接觸式容積型鍋爐的特性，通過(guò)對(duì)CFC113-水工質(zhì)對(duì)的換熱分析表明其容積換熱系數(shù)小于Sideman和Gat研究的戊烷-水工質(zhì)對(duì)。

Matsumoto[25]等利用一種新的制冰方法，水油乳劑通過(guò)在容器內(nèi)攪拌被冷卻形成冰油和水的懸浮液。結(jié)果表明，冰油和水的懸浮液（又稱冰漿）有良好的流動(dòng)性，并且不會(huì)粘附在蓄冷器表面。

鄭克晴等[26]通過(guò)實(shí)驗(yàn)研究了在直接接觸式制取冰漿的冰漿生成器中影響體積傳熱系數(shù)的主要因素，利用乙二醇試劑作為添加劑，發(fā)現(xiàn)水柱高度下降、進(jìn)氣質(zhì)量流量增加、進(jìn)氣溫度下降、噴嘴直徑減小均能導(dǎo)致體積傳熱系數(shù)增加。

S.Thongwik等[27]利用二氧化碳?xì)怏w和水進(jìn)行直接接觸式換熱制取冰并且研究了換熱性能，將低溫的二氧化碳?xì)怏w（-15℃和-60℃）通入初始溫度為28℃的水中進(jìn)行直接換熱，實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)二者之間的換熱效率接近100%。考慮到注入口周圍的堵塞情況，可用冰漿替代純冰。將壓縮機(jī)油和表面活性劑與水混合來(lái)制取冰漿，發(fā)現(xiàn)在體積比例為水/油/活性劑=100/6/1時(shí)，最容易形成大量穩(wěn)定的冰漿。

章學(xué)來(lái)、李瑞陽(yáng)等[28,29]利用直接接觸換熱技術(shù)將R123和水制備成冰晶形式，通過(guò)大量實(shí)驗(yàn)研究得出了以下結(jié)論：蓄冷罐內(nèi)容積換熱系數(shù)隨罐內(nèi)水溫的下降而減少、罐內(nèi)水位的升高而降低；隨噴孔數(shù)的增多而增大、噴孔直徑的增大而減?。患尤氩煌奶砑觿?duì)罐內(nèi)的容積換熱系數(shù)也會(huì)產(chǎn)生不同的影響。

Fujita[30]將R113逆流向上噴入豎直的熱水管道中，觀察其上升過(guò)程中蒸發(fā)換熱的過(guò)程。觀察發(fā)現(xiàn)，由于噴孔出口處的汽泡聚合時(shí)狀態(tài)不同，可將蓄冷罐內(nèi)蒸發(fā)區(qū)域劃分為三個(gè)區(qū)域，即不穩(wěn)定區(qū)域、穩(wěn)定區(qū)域和柱狀區(qū)域。

M.N.A.Hawlader[31]以Fluroinert FC 84作為液態(tài)冷卻劑，其凝固溫度低于0℃，不溶于水，密度大于水。冷卻劑由噴嘴以液滴形式噴射進(jìn)入水中，在它穿過(guò)水環(huán)境時(shí)，由于溫度差導(dǎo)致其將吸收水的熱量，從而使水的溫度降低，達(dá)到凝固點(diǎn)0℃，水發(fā)生相變成為冰，在液滴表面形成冰，由于冷卻液滴受到三個(gè)力的作用（重力、水的阻力、浮力）的影響，冰從液滴脫離，慢慢聚集到容器上層形成冰漿層。并且建立了一種數(shù)學(xué)模型來(lái)分析在冷卻劑液滴表面冰的增長(zhǎng)，同樣還有中間相界層的增長(zhǎng)。如圖2所示。液滴直徑的增加導(dǎo)致了冰增長(zhǎng)速率的增加。相似的，隨著液滴初始溫度的降低，冰的增長(zhǎng)速率增加。對(duì)實(shí)驗(yàn)結(jié)果和預(yù)測(cè)值的比較分析顯示，這個(gè)模型可以描述冰和中間相界層的增長(zhǎng)，以及冰漿的生成。

圖2冰和中間相界層形成模型

2.2直接接觸式換熱在水/油蓄冷空調(diào)系統(tǒng)中的應(yīng)用

水/油蓄冷空調(diào)系統(tǒng)是指以水作為載冷劑，油（大多數(shù)采用石蠟）作為蓄冷劑。蓄冷時(shí)，載有冷量的低溫水流入蓄冷器，液態(tài)石蠟也同時(shí)噴入蓄冷器與水直接接觸換熱，鑒于石蠟與水之間有密度差的存在，所以與冷水接觸后凝固的石蠟顆粒漂浮在水面上；釋冷時(shí)，載有熱量的高溫水流入蓄冷器，將熱量傳遞給固體石蠟顆粒，石蠟吸熱融化，由于密度差液體石蠟漂浮在水面上。循環(huán)一次后，液態(tài)石蠟回儲(chǔ)存罐，以便再次循環(huán)使用。

稻葉英男[32]以正十四烷油滴作為相變材料，熔化溫度5.8℃，潛熱值229kJ/kg，采用直接接觸式換熱，應(yīng)用于空調(diào)領(lǐng)域解決峰谷差問(wèn)題。實(shí)驗(yàn)裝置為立式長(zhǎng)方體，壁厚為10mm，底面積為100mm。噴嘴距離頂部液體表面高度為1.6m±3mm，內(nèi)徑1mm，外徑2mm，高度64mm。裝置內(nèi)部安裝4個(gè)T型熱電偶，直徑為0.32mm，測(cè)量精度為±0.1℃。外層用50mm厚的泡沫聚乙烯來(lái)對(duì)實(shí)驗(yàn)裝置進(jìn)行保溫。實(shí)驗(yàn)裝置圖如圖3所示。正十四烷油珠從圓柱形單孔噴嘴噴入冷水環(huán)境下，油珠分散形成微小油滴。由于浮力作用油滴在水中上升并且通過(guò)與水直接換熱凝結(jié)，最終完全凝結(jié)或者部分凝結(jié)。實(shí)驗(yàn)結(jié)果顯示，油滴的凝固率隨著油滴溫度和水環(huán)境溫度的降低而增大。但是在較低溫條件下，注入的油滴在出口就凍結(jié)，其凝固速率隨著注入油滴溫度和水環(huán)境溫度的降低而減少。

圖3實(shí)驗(yàn)裝置原理圖

Battya和Seetharamu[33]研究了正戊烷和CFC113在水中直接接觸式換熱的過(guò)程，分析了溫差、液柱高度、擴(kuò)散相的流率以及分布板上噴孔的數(shù)目對(duì)換熱過(guò)程的影響。結(jié)果表明，離散相密度越小，相同流速下其孔隙率也越高。

Hiroyuki Kumano[34]以十四烷和十六烷混合、十五烷和十八烷混合以不同濃度配比作為相變材料，利用直接接觸式換熱方式，通過(guò)實(shí)驗(yàn)研究發(fā)現(xiàn)在較低表面溫度范圍下，混合物熱流率的下降速度要比純物質(zhì)更快。影響熱流率下降的因素是由于樣品中小規(guī)模分離而形成的液膜濃度分布情況不同造成的。

李曉燕等人以石蠟作為制冷劑，水作為載冷劑，模擬了直接接觸式換熱應(yīng)用于常規(guī)空調(diào)的蓄釋冷特性。蓄冷時(shí)蓄冷劑的進(jìn)口溫度與流量越大，蓄冷器蓄冷率越大，總蓄冷量越多。但蓄冷劑進(jìn)口溫度與流量不能過(guò)度增加，否則蓄冷劑不能凝固；蓄冷時(shí)蓄冷器的蓄冷量隨著載冷劑入口溫度的降低而增加，隨著流量的增加而增加。但載冷劑溫度越低，制冷機(jī)組的蒸發(fā)溫度越低，效率越低。釋冷時(shí)載冷劑的入口溫度越高，總釋冷量越多。為防止蓄冷器中冷量過(guò)快的釋放及維持穩(wěn)定的供水溫度，在實(shí)際應(yīng)用中應(yīng)設(shè)置溫度控制調(diào)節(jié)閥，調(diào)節(jié)空調(diào)回水進(jìn)入蓄冷器與并聯(lián)旁通流量的比例。

2.3直接接觸式換熱在廢熱回收方面的應(yīng)用

Takahiro Nomura等[35]對(duì)直接接觸式換熱器進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)研究和分析，以赤蘚糖醇（熔化溫度391K）作為相變材料，油作為載冷劑，一個(gè)內(nèi)徑為200mm、高度為1000mm的立式氣缸作為蓄能裝置，噴嘴垂直安置在裝置底部。通過(guò)溫度的分布情況可以將蓄熱分為三個(gè)階段：固體顯熱儲(chǔ)能階段、潛熱儲(chǔ)能階段和液體顯熱儲(chǔ)能階段。如圖4所示文章研究了載冷油的流速和進(jìn)口溫度的變化對(duì)載冷油進(jìn)出口溫差、溫度效能、蓄能速率的影響。實(shí)驗(yàn)說(shuō)明載冷油流速和進(jìn)口溫度的增加促進(jìn)了直接接觸式換熱器的儲(chǔ)能速率。

圖4直接接觸式換熱過(guò)程中熱采原油的流型圖解和相變材料的融化過(guò)程

Y.J.Hyun等[36]通過(guò)實(shí)驗(yàn)研究了利用太陽(yáng)能的不相溶液-液直接接觸式換熱系統(tǒng)的熱特性，由太陽(yáng)能集熱器、循環(huán)泵和直接接觸式換熱器組成。系統(tǒng)采用優(yōu)質(zhì)導(dǎo)熱油和酸二乙酯作為流動(dòng)工質(zhì)，其中優(yōu)質(zhì)導(dǎo)熱油的密度小于水，酸二乙酯的密度大于水。由于規(guī)定了液滴的大小，液滴的形成機(jī)理對(duì)于整個(gè)直接接觸式蓄冷系統(tǒng)的影響非常重要。就這一點(diǎn)而言，向空間噴射酸二乙酯會(huì)更有效果，因?yàn)橄蚩臻g噴射可以允許液滴自由下落碰撞水表面而分散成1～2mm的小液滴，更有利于換熱。

3直接接觸式蓄冷技術(shù)研究中需解決問(wèn)題

到目前為止，綜觀國(guó)內(nèi)外對(duì)直接接觸式蓄冷技術(shù)的應(yīng)用研究，盡管已經(jīng)取得了很大的進(jìn)步，但其研究成果還未系統(tǒng)化，無(wú)論從數(shù)值研究還是實(shí)驗(yàn)研究方面仍存在幾方面問(wèn)題，尚需進(jìn)一步深入研究。

1）蓄冷介質(zhì)方面：有機(jī)石蠟直鏈烷烴類相變材料可適用于直接接觸式蓄冷空調(diào)，但盡管其熱力學(xué)性質(zhì)穩(wěn)定，潛熱值較小仍然是其無(wú)法廣泛應(yīng)用于該系統(tǒng)中最關(guān)鍵的問(wèn)題所在。另外，近年來(lái)，傳統(tǒng)制冷劑chlorofluorocarbon（CFCs）和hydroflurocarbons（HFCs）對(duì)臭氧層的破壞和造成全球變暖，使得環(huán)境問(wèn)題日益嚴(yán)峻。隨著國(guó)際CFC替代的實(shí)施，可用作蓄冷介質(zhì)的制冷劑種類越來(lái)越少。尋找新型蓄冷介質(zhì)成為直接接觸式蓄冷技術(shù)發(fā)展的一大障礙，亟需得到解決。

2）傳熱方面：對(duì)于直接接觸式換熱的實(shí)驗(yàn)研究和模擬分析都應(yīng)注意蓄冷器內(nèi)部和外部的換熱情況，由于直接接觸式換熱具有較高的換熱效率，因此對(duì)蓄冷器內(nèi)部的換熱研究應(yīng)該更加重視。而與此類相關(guān)的國(guó)內(nèi)外文獻(xiàn)都很少見(jiàn)。

3）系統(tǒng)裝置方面：鑒于實(shí)驗(yàn)過(guò)程中兩種不相溶介質(zhì)的直接接觸，無(wú)論是制冷劑與水及潤(rùn)滑油都存在相混合、難分離的問(wèn)題。因此，必須在實(shí)驗(yàn)裝置中添加分油器或汽水分離裝置。而用于直接接觸式換熱系統(tǒng)中的無(wú)油壓縮機(jī)價(jià)格昂貴，這也成為技術(shù)推廣的難題。

4）設(shè)備維護(hù)方面：由于兩種不溶性液體相混合，噴嘴、換熱器和管道的堵塞問(wèn)題就不可避免，這對(duì)設(shè)備運(yùn)行維護(hù)費(fèi)用造成壓力，如何解決這一問(wèn)題制約著直接接觸式換熱技術(shù)的發(fā)展。

5）經(jīng)驗(yàn)準(zhǔn)則方面：對(duì)于直接接觸固液相變傳熱的相關(guān)準(zhǔn)則關(guān)系式還沒(méi)有具體歸納提出，這就會(huì)導(dǎo)致模擬過(guò)程的偏差增大。此外，直接接觸式蓄冷技術(shù)的理論模型也不夠全面，要想推廣使用直接接觸式蓄冷技術(shù)就必須完善相關(guān)準(zhǔn)則和加強(qiáng)理論研究。

[1]E Hausbrand.Condensing and Cooling Apparatus(5thed.)[M]. New York:Van Nostrand,1993

[2]Sideman S,Hirsch G,Gat Y.Direct contact heat transfer with cha -nge of phase:effect of the initial drop size in three-phase heat exchangers[J].AICHEJ,1965,(11):1081-1087

[3]Sideman S,Taitel Y.Direct contact heat transfer with change of phase:evaporation of drops in an immiscible liquid medium[J]. Heat Mass Transfer,1964,114:965-971

[4]Simpson HC,Beggs GC,Nazir M.Evaporation of butane drops in brine[J].Desalination,1974,15:11-23

[5]Raina GK,Grover PD.Direct contact heat transfer with change of phase:theoretical model incorporating sloshing effects[J].AIChEJournal,1985,31(3):507-510

[6]SIMPSONH C,BEGGS G C,NAIZER M.Evaporation of butane drops in brine[J].Desalination,1974,15:11-23

[7]KLIPSTEIN D H.Heat transfer to a vaporing immiscible drop D]. M I T[PhD Thesis],1963

[8]SIDEMAN S,HIRSCH G.Direct-contact heat transfer with phase changeⅢ:Analysis of the transfer mechanism of drops evaporating in an immiscible liquid media[J].Israel J Technol,1964,2(2): 234-241

[9]PRACKASH C B,PINDER K L.Direct-contact heat transfer between two immiscible liquids during evaporation(PartⅡ:Total evaporation time)[J].Can J Chem Eng,1967,45:215-220

[10]Smith R C,Rohsenow W M,Kazimi M S.Volumetric heat transfer coefficients for direct contact evaporation[J].J.Heat Transfer, 2012,104:264-303

[11]Shaopeng Guo,Hailong Li,Jun Zhao.Numerical simulation study on optimizing charging process of the direct contact mobilized thermal energy storage[J].Applied Energy,2013,112(12):1416-1423

[12]Katsuhiko Kadoguchi.Buddle departure in the direct-contact boiling field with a continuous liquid-liquid interface[J].Experimental Thermal and Fluid Science,2007,31:197-207

[13]Bontozoglou V,Karabelas A J.Direct-contact steam condensation with simultaneous non-condensable gas absorption[J].AIChE J.1995,41:241-250

[14]Deandres M C,Hoo E,Zangrando F.Performance of direct-conta -ct heat and mass exchangers with steam-gas mixtures at sub-atmospheric pressures[J].Int.J.Heat Mass Transfer,2004,39:965-973

[15]Srbislav B Genic.Direct-contact condensation heat transfer on down commerless trays for steam-water system[J].Int.J.Heat Mass Transfer,2006,49:1225-1230

[16]靳登超,王雙平,夏玉蓮.不互溶液體間直接接觸傳熱的研究進(jìn)展[J].化學(xué)工業(yè)與工程,2009,26(6):542-546

[17]齊濤,沈自求.垂直管內(nèi)不互溶液滴群直接接觸汽化傳熱[J].高校化學(xué)工程學(xué)報(bào),1996,10(3):232-238

[18]Subbaiyer S.Computer simulation of a vapour-compression ice generator with a direct-contact evaporator[J].ASHRAE Trans, 1991,(I):118-126

[19]Morikawa H,Miyawaki M,Fujimoto T.Studies on Application of dynamic ice for district cooling(Part 1.Slurry ice transport system)[A].In:Proceedings of JSME Conference[C].Japan, 1993:930-936

[20]Snoek CW.Ice-slurry based district cooling systems[A].In:Proc -eeding of European Institute of Environmental Energy District Cooling Workshop[C].Herming,Denmark,1994:1-12

[21]Kiatsiriroat T,Sirplubpla P,Nuntaphan A.Performance analysis of refrigeration cycle using a direct contact evaporator[J].Int J Energy Res,1998,22:1179-1190

[22]Kiatsiriroat T,Vithayasai S,Vorayos N.Heat Transfer prediction for direct contact ice thermal energy storage[J].Energy Convers Manage,2003,44:497-508

[23]Sideman S,Gat Y.Direct contact heat transfer with change of pha -se[J].AICHEJ,1984,12:296-303

[24]Blair C K,Boehm R F,Jacobs H R.Heat transfer characteristics of direct contact volume type boiler[J].ASME Paper No.76-HT-23

[25]Matsumoto K,Okada M,Kawagoe T,Kang C.Ice storage system with water oil mixture formation of suspension with high IPF[J]. Int J Refrig,2003,23:336-344

[26]鄭克晴,張學(xué)軍,田新建,等.直接接觸式冰漿生成器的單氣泡傳熱特性[J].化工學(xué)報(bào),2010,61(S2):58-61

[27]S Thongwik,N Vorayos,T Kiatsiriroat.Thermal analysis of slurry ice production system using direct contact heat transfer of carbo -n dioxide and water mixture[J].International Communications in Heat and Mass Transfer,2008,35(6):756-761

[28]章學(xué)來(lái),李瑞陽(yáng).直接接觸式換熱技術(shù)及其在蓄冷中的應(yīng)用[J].上海海運(yùn)學(xué)院學(xué)報(bào),2000,21(2):32-38

[29]章學(xué)來(lái),盧家才.直接接觸式換熱技術(shù)的研究進(jìn)展[J].能源技術(shù),2001,22(1):2-6

[30]Fujita Y,Hirahaya K,Matsuo S,et al.Heat transfer processes in a direct contact evaporator[J].TRANS.JSME.Ser.B.,2011,452-475:1379-1386

[31]M N A Hawlader,M A Wahed.Analyses of ice slurry formation using direct contact heat transfer[J].Applied Energy,2009,86 (7-8):1170-1178

[32]HIDEO INABA,KENJI SATO.Latent cold heat energy storage characteristics by means of direct-contact-freeaing between oil droplets and cold water solution[J].Int.J.Heat Mass Transfer, 1997,40(13):3189-3200

[33]Seetharamu K.N.and Battya P.Direct contact evaporation between two immiscible liquids in a spray column[J].J.Heat Transfer, 2012,111:780～785

[34]Hiroyuki Kumano,Akio Saito,Seiji Okawa.Study of direct contact melting with hydrocarbon mixtures as the PCM[J].International Journal of Heat and Mass Transfer,2005,48(15):3212-3220

[35]Takahiro Nomura,Masakatsu Tsubota,Teppei Oya.Heat storage in direct-contact heat exchanger with phase change material[J]. Applied Thermal Engineering,2013,50(1):26-34

[36]Y J Hyun,J H Hyun,W G Chun.An experimental i nvestigation into the operation of a direct contact heat exchanger for solar expl -oitation[J].International Communications in Heat and Mass Tra -nsfer,2005,32(3-4):425-434

Progre s s in Dire c t-c onta c t The rm a l Ene rgy Stora ge Te c hnology for Air-c onditioning

LI Xiao-yan,DU Shi-qiang
School of Energy and Civil Engineering,Harbin University of Commerce

The application of the technology of direct-contact thermal energy storage has a widely research prospect in the field of HVAC,one of the difficult points of direct-contact thermal energy storage technology is the development of research model.The research status and progress of direct-contact thermal energy storage technology used in different areas are presented and analyzed in this article.Based on the summary of the domestic and foreign investigations about direct-contact heat transfer technology,the problems which were necessary to be resolved were pointed out which will provide certain reference foundation for further research.

thermal energy storage,direct-contact heat transfer technology,heat transfer coefficient

1003-0344（2014）05-041-6

2013-7-13

李曉燕（1962～），女，博士，教授；黑龍江省哈爾濱市松北區(qū)學(xué)海街1號(hào)哈爾濱商業(yè)大學(xué)能源與建筑工程學(xué)院（150028）；

E-mail:mylxy6168@sina.com

黑龍江省研究生創(chuàng)新科研項(xiàng)目（No.YJSCX2012-144HLJ）；國(guó)家自然科學(xué)基金（青年基金）項(xiàng)目（No.50606007）；

黑龍江省自然科學(xué)基金項(xiàng)目（No.E200822）；哈爾濱商業(yè)大學(xué)研究生創(chuàng)新科研資金項(xiàng)目（YTSCX2013-266HSD）